利用张唐铁路疏运唐山港区矿石牵引质量方案研究

车 燕

(中国铁路设计集团有限公司 交通运输规划研究院，天津 300308)

为贯彻落实蓝天保卫战、污染防治攻坚战行动，唐山地区拟实现疏港矿石运输由公路向铁路转移。张唐铁路(孔家庄—曹妃甸北)为唐山港曹妃甸港区集疏运通道之一，利用其煤炭运输轻车方向曹妃甸北站至团瓢庄站段线路疏运唐山港区疏港矿石，与新建张唐铁路团瓢庄站至唐遵铁路遵化南站联络线(以下简称“团瓢庄至遵化南联络线”)[1-2]、遵小线(遵化南—小寺沟)成为连接铁路货运线路与矿石需求企业的桥梁，形成钢铁企业与港口之间的矿石运输通路，实现唐山港疏港矿石至唐山遵化、迁西地区钢厂企业的全部运输需求，以保障唐山地区“公转铁”[3-4]的推进，实现绿色、环保、生态可持续发展。

1 张唐铁路疏港矿石运输现状

1.1 张唐铁路概况

张唐铁路起自我国北方交通要塞张家口市的孔家庄，向东至承德西部后折向南经唐山西部至我国北方重要的煤炭运输港口曹妃甸港区，是一条连接蒙西、蒙东煤炭基地与曹妃甸港区的路网干线，形成蒙西和蒙东煤炭下海新通道，线路全长约530 km。张唐铁路为国家铁路I 级双线电气化铁路，牵引质量为10 000 t，5 000 t，限制坡度沙岭子西至丰润西段6‰/12‰ (重车方向/轻车方向)、丰润西至曹妃甸北6‰。

张唐铁路建成后，与张集线(孔家庄—集宁南)、集包线(古营盘—包头西)呼包段构成唐呼铁路通道[5]，形成我国第4 条能源大通道，主要运输内蒙古自治区、陕西省往曹妃甸下水煤炭。张唐铁路运输组织现状为装车地至曹妃甸港下水煤炭[6]组织万吨重载列车运输，去往沿线企业煤炭组织5 000 t 煤炭直达列车运输，卸后空车均原路返回。

1.2 张唐铁路规划年度货运量分析

基于污染防治攻坚战及《铁路货运增量行动方案(2018—2020)》等相关配套政策[7-8]，张唐铁路规划年度货运量构成主要为煤炭、矿石等大宗货物，其中煤炭主要是至曹妃甸港下水以及沿线企业消耗，下水煤炭运量约1.3 亿t，至沿线企业煤炭约2 600 万t (其中团瓢庄—曹妃甸北段企业煤炭运量约1 800 万t)。

张唐铁路疏运的唐山港区疏港矿石主要服务遵化、迁西地区的2 家钢铁企业，分别为唐山港陆钢铁有限公司和河北津西钢铁集团股份有限公司。根据调研和企业规划，设计年度2 家企业的矿石全部由铁路运输，其中唐山港陆钢铁有限公司矿石需求为850 万t，河北津西钢铁集团股份有限公司矿石需求为1 460 万t，合计矿石运量为2 310 万t。

1.3 张唐铁路现状线路工程条件分析

张唐铁路曹妃甸北至团瓢庄段线路长度约137.4 km，其中团瓢庄至丰润西段线路长度约26.7 km，共有6 处超6‰的大坡段，有2 处12‰的坡段长度分别为900 m，1 100 m；丰润西至唐山西段线路长度为31.9 km，共有2 处超6‰的大坡段，有 1 处12‰的坡段长度为900 m；唐山西至曹妃甸北段线路长度约78.8 km，无超过6‰坡度。因此，张唐铁路矿石运输径路中超6‰的段坡共有8 处，其中3处12‰的坡段，集中在唐山西至团瓢庄段线路区间。

2 张唐铁路疏港矿石牵引质量方案研究

结合张唐铁路限制坡度、地区内机务车辆类型，对疏港矿石牵引质量方案进行理论研究及校验。

2.1 矿石列车牵引质量方案

唐山机务段机车类型为六轴干线货运机车HXD2B 与DF8B，张唐铁路运行的列车机车类型为八轴重载货运电力机车HXD1 与HXD2。考虑到张唐铁路及地区内津山铁路(天津—山海关)、京哈铁路(北京—哈尔滨)、滦港铁路(滦县—京唐港)、迁曹铁路(迁安北—曹妃甸北)、曹妃甸港铁路(曹妃甸北—曹妃甸南)现状均为电气化铁路，新建的团瓢庄至遵化南联络线及改建的遵小线建成后也为电气化铁路。在唐山地区电气化铁路成网的趋势下，采用电力牵引利于实现机车长交路，充分发挥铁路网络的综合效益。因此，从国家能源政策、利于环保、改善运营条件等角度考虑，张唐铁路运行的矿石列车采用现有的电力机型牵引。根据国家铁路局2018年发布的《列车牵引计算第1 部分：机车牵引式列车》(以下简称“《列车牵引计算》”)[9]，各型电力机车主要技术参数如表1 所示。

表1 各型电力机车主要技术参数表Tab.1 Main technical parameters of various electric locomotives

《列车牵引计算》中，列车在限制坡道上以持续速度运行时机车牵引质量Mg按公式 ⑴ 计算。

式中：Fc为机车持续牵引力，kN；λy为机车牵引力使用系数，取值0.9；Mp为机车计算质量，t；ix为限制坡道千分数；w0′为机车单位运行基本阻力，N/kN；g 为重力加速度，取值9.8 m/s2；w0′′为车辆单位运行基本阻力，N/kN。

本次研究机车采用HXD 型车，货车按照重车计算。w0′与w0′′分别按公式 ⑵、公式 ⑶ 计算。

式中：v为运行速度，km/h。

根据牵引质量计算公式及机车车辆基础参数，12‰ 的限制坡度条件下，理论计算单机HXD1，HXD2，HXD2B 对应的牵引质量分别是3 330 t，3 490 t，2 810 t。

综合分析不同机型在12‰限制坡度时受牵引力限制的牵引质量，以及张唐线路概况，考虑动能闯坡特点(列车能够利用在坡前积蓄的动能，以不低于机车计算速度闯过坡度)，充分利用机车牵引力，矿石列车初步牵引质量方案为单机HXD1 或HXD2 牵引4 000 t，单机 HXD1 或HXD2 牵引4 500 t；双机HXD2B 牵引6 000 t。

2.2 矿石列车牵引质量方案校验

本次机车牵引质量取值校验方法主要从3 个方面进行校验，分别为起动坡校验、既有车站到发线有效长校验、列车牵引计算模拟校验。

（1）起动坡校验。根据《列车牵引计算》，起动条件限制可按公式 ⑷ 计算。

式中：iq为列车起动地段加算坡度千分数；Fq为机车最大起动牵引力，kN；wq′为机车单位起动基本阻力，N/kN；为货车单位起动基本阻力，N/kN。

矿石列车不同牵引质量方案起动坡度检算如表2所示。

表2 不同牵引质量方案起动坡度检算表 ‰Tab.2 Starting slope check and calculation of different traction tonnage schemes

非正常情况下，列车全部位于12‰限制坡段停车时，单机HXD1 或HXD2 牵引4 000 t，双机HXD2B 牵引6 000 t 方案均满足起动需求；单机HXD1 或HXD2 牵引4 500 t 方案不满足起动需求。

（2）既有线车站到发线有效长校验。张唐铁路承担的疏运矿石运量，主要装车站曹妃甸南站及企业卸车站到发线有效长均为1 050 m，运输通路张唐铁路既有车站到发线有效长1 700 m；矿石列车牵引质量受装车站及卸车站到发线有效长限制。

参照唐山港区疏港矿石铁路运输现状，矿石列车主要采用普通敞车装运，车辆类型主要有C60系列、C70等普通通用敞车[10]。本次针对双机牵引6 000 t的牵引质量方案进行校验。受到发线有效长1 050 m限制的牵引质量表(双机)如表3 所示。

表3 受到发线有效长1 050 m 限制的牵引质量表(双机)Tab.3 Traction tonnage limited by 1050-meter effective lengths of receiving-departure track (dual-locomotive traction)

从表3 可以看出，既有车站到发线有效长为1 050 m 时，除C62外，其他C60系列、C70车辆能满足双机牵引6 000 t 需求。

（3）列车牵引计算模拟校验。通过对张唐铁路曹妃甸—团瓢庄段线路进行列车牵引计算模拟计算，正常运行情况下，疏港矿石列车按最高速度80 km/h运行时，张唐铁路唐山西—丰润西间大坡道模拟计算结果分析如表4 所示。

表4 张唐铁路唐山西—丰润西间大坡道模拟计算结果分析Tab.4 Long ramp simulation results of Tangshanxi-Fengrunxi section of Zhangjiakou-Tangshan Railway

通过模拟牵引计算理论分析，除单机HXD1 牵引4 500 t 方案在12‰限坡上运行的最低速度低于机车最低计算速度外，其他牵引质量方案正常运行通过大坡道时最低运行速度均高于机车最低计算速度。

通过上述起动坡度校验、既有车站到发线有效长校验、列车在限制坡道上模拟牵引计算校验等方面分析，初步推荐矿石列车牵引质量方案可采用单机HXD1 或HXD2 牵引4 000 t、双机HXD2B 牵引6 000 t 的2 种方案。

3 不同牵引质量方案综合比较分析

通过上述理论计算与校验，张唐铁路运行的疏港矿石列车采用单机HXD1 或HXD2 牵引4 000 t 以及双机HXD2B 牵引6 000 t 方案理论上均可行。具体采用哪种方案，应根据张唐铁路承担的疏港矿石的运量特点以及对既有线的能力影响等方面来确定。可通过从张唐通道内运行时分及单位能耗指标、对通路线路能力适应性、机车车辆购置数量及费用等方面分析确定矿石车流经济合理的方案。

3.1 列车牵引计算模拟运行指标分析

张唐铁路曹妃甸—团瓢庄段线路运输距离长约137.4 km，通过列车牵引计算模拟，采用单机HXD1或HXD2 牵引4 000 t 方案，该段线路不停车通过运行时分约110 min，单位能耗指标约为118 kW·h/(万t·km)；采用双机HXD2B 牵引6 000 t 运输方案，在该段线路上不停车通过运行时分约108 min，单位能耗指标约为115 kW·h/(万t·km)。

采用单机HXD1 或HXD2 牵引4 000 t、双机HXD2B 牵引6 000 t 方案，列车区间不停站通过运行时分、单位能耗指标相差不大，采用双机HXD2B牵引6 000 t 方案运行时分及单位能耗指标相对较小。

3.2 通路能力适应性分析

矿石运输通路中，张唐铁路为双线自动闭塞铁路，规划年度万吨列车追踪间隔11 min，5 000 t 列车追踪间隔7 min，综合维修天窗时间180 min。以5 000 t 列车为基准，计算线路通过能力为180 对/d。新建团瓢庄至遵化南联络线、遵小线为单线自动站间闭塞铁路，通过能力主要计算参数取值为：车站间隔时分τ不= 4 min，τ会= 2 min；起停车附加时分t起=3 min，t停= 2 min；综合维修天窗时间为180 min；计算线路通过能力为34 对/d；能力储备系数为双线取0.15，单线取0.2。

规划年度张唐铁路的煤炭运输组织方案参考现状，至曹妃甸港下水煤炭组织万吨直达列车运输，至企业煤炭组织5 000 t 直达列车运输，煤炭卸后空车原路返回。矿石不同牵引质量方案对通路线路能力适应性分析如表5 所示。

表5 矿石不同牵引质量方案对通路线路能力适应性分析 对/ dTab.5 Adaptability analysis of line capacity for different traction tonnage schemes

通过计算分析，矿石列车采用单机牵引4000 t方案，运输通路中团瓢庄至遵化南联络线、遵小线线路能力不满足预测运量需求；矿石采用双机牵引6 000 t 方案，通路各线能力均满足需求，并有一定富余能力。

3.3 机车车辆购置费分析

矿石列车采用4 000 t 方案，需采用八轴大功率机车HXD1 或HXD2 牵引，车辆暂按C70计算，编组43 辆；计算矿石列车数为24 列，机车购置台数为14 台，车辆购置辆数约903 辆，机车车辆购置费合计约8.1 亿元。

矿石列车采用6 000 t 方案，需采用六轴机车HXD2B 双机牵引，车辆暂按C70计算，编组64 辆；计算矿石列车数为16 列，机车购置台数为18 台，车辆购置辆数约896 辆，机车车辆购置费合计约7.8 亿元。

矿石列车采用4 000 t 方案相较于6 000 t 方案，机车购置台数相对较少，车辆购置数量相差不大，但由于4 000 t 编组方案采用的八轴大功率机车HXD1 或HXD2 机车购置费较六轴电力机车HXD2B高，导致机辆费用总体偏高。

综上运行指标、通路能力适应性、机车车辆购置费等方面分析结果，在张唐铁路现状线路工程条件下，综合考虑中国铁路北京局集团有限公司管内的机车检修条件，推荐张唐铁路矿石列车采用双机HXD2B 牵引6 000 t 方案，不仅能充分利用通道线路能力，减少对线路能力的占用，满足预测运量需求，同时机车车辆购置费也相对较低。

张唐铁路煤炭集港实行空重车双线循环运输，作业模式为“万吨列车重车到达港区、卸后空车原路返回”；轻车方向承担的疏港矿石运量为大宗运量，到发地明确，为保障矿石列车装运空车来源，提高运输效率，建议疏港矿石车流采用固定车底循环运输[11]。

4 结束语

张唐铁路轻车方向疏运的唐山港区疏港矿石，经综合比较分析推荐采用双机HXD2B 牵引6 000 t 的固定车底循环运输方案，不仅较好地适应其既有工程条件，机辆费用相对较低，也充分利用张唐铁路通道运输能力，满足唐山港区至唐山市迁西、遵化地区钢铁企业的疏港矿石“公转铁”运输需求。该方案对落实运输结构调整战略部署，助力打赢蓝天保卫战，助推港口提升疏运能力，提高铁路货物运量具有积极的促进和推动作用。